雷達數據在城市內澇實時模型中的應用與展望

朱 弋，潘 煒，高 磊，張留瓅

（上海市城市排水有限公司排水設計研究分公司，上海市 200090）

雷達數據在城市內澇實時模型中的應用與展望

朱 弋，潘 煒，高 磊，張留瓅

（上海市城市排水有限公司排水設計研究分公司，上海市 200090）

通過介紹國外雷達數據在城市內澇實時模型中的成功應用經驗，對比不同類型雷達的使用情況，數據特征以及應用結果，指出將雷達數據應用于城市內澇實時模型是未來城市內澇防汛預測的必然發展趨勢。同時結合上海等國內大型城市的實際情況，為我國繼續研發此類技術提出一些建議。

雷達；C-波段；X-波段；防汛；城市內澇；實時水力模型

0　引言

隨著水力實時模型在城市防汛領域被越來越廣泛的使用，將雷達數據引入城市內澇實時模型的呼聲也越來越高。研究者們構想通過模型對雷達降雨臨近預報的數據進行計算，以此給予模型計算結果一定的時間提前量，從而實現對城市內澇發生地區和嚴重程度高精度的預測預報，為城市部署防汛措施爭取時間，大幅度降低內澇事故發生概率，減輕城市財物損失。然而令人遺憾的是，為保證數據準確性，截至目前，使用雷達無線探測及測距技術得到的降雨數據仍需經過大量的校正工作方能使用，因此很難滿足內澇實時模型的計算要求。且即使正確測量了降雨，城市暴雨卻依舊難以預測，建立可預測未來幾小時內降雨的模型依舊困難重重[1]。

為解決以上難題，本文收集了一些發達國家及地區成功利用雷達數據建成重點區域防汛實時模型的案例。并通過分析比較該類案例使用的雷達特點、數據處理方法、研究經驗、取得結果等內容，總結出雷達預測降雨實時模型的發展瓶頸和解決方法，同時嘗試提出適合上海超大型城市應用雷達數據預測城市內澇的發展方向。

1　雷達降雨預測技術介紹

1.1雷達降雨測量工作原理

我們知道，電視上播放的氣象預報是由雷達提供的數據通過氣象模型計算得來。因此，雷達可以相當準確地預測氣象變化，例如晴天、降雨、多云、降雪等，是大多數人根深蒂固的想法。既然如此，為什么不直接將這些神奇的雷達預測引入到城市防汛中來呢？如果事先知道了某城市的降雨數據，通過內澇實時模型進行計算，不就可以對即將發生的內澇災害予以防治了么？事實當然不會那么簡單。

事實上，雷達一詞是舶來語，來源于英語的Radar，是其真實含義Radio Detection And Ranging，即無線探測和測距技術的縮寫。雷達通過一整套回聲探測系統發射電磁波信號，并接受回波。電磁波信號一般在極短的時間內（一般為2 μs）發射。當波束抵達目標，如降雨云團時，部分能量將被反射，被雷達探測系統回收。由此，根據信號的往返時間，可以計算出目標和雷達發射器之間的距離，見圖1。

圖1　雷達工作原理

由于雷達無法同時發送和接收信號，信號發射的時間必須極短，以保證近距離回波不會丟失。監聽時間應盡可能長，從而為探測到較遠回波預留時間，一次發射行為和之后的監聽時間被稱為一個周期，一周期內回收信號的傳輸距離及頻率取決于雷達的工程限制和成本。相對的，遠距離傳輸信號功率較大，雖然可以實現更大的覆蓋范圍，但卻不具備近距離探測的能力。

雷達發射信號波束的仰角、寬度以及地球的曲度都是影響雷達降雨數據準確率的重要因素，信號傳輸越遠，則波束能夠偵測到的降雨高度也就越高。比如，在距離雷達信號發射裝置100 km處，雷達回波可被1.5 km高處的雨云反射，但是對于1.5 km以下高度的云層則無法偵測。因此，在此類情況下，雷達降雨信息并不能完全反映地面上觀測到的降雨情況，所以研究者一般會借用雨量計數據來為雷達數據校準，這樣的處理過程十分耗時，當然也就更談不上實現什么“預測”效果了。除了以上因素之外，回波信號在大氣傳輸過程中的衰減也對雷達降雨數據的準確性存在巨大影響。因此，幾乎在每個雷達站都會對取得的雷達數據進行處理，包括糾正降雨造成的信號衰減、糾正范圍衰減、消除地面雜音影響、Z-R轉換（雷達反射率Z對降雨率R的轉換）等[2-4]。

除準確性外，分辨率也是雷達數據的重要指標。對一個城市來說，粗分辨率的雷達數據往往容易造成密集降雨強度的信息丟失，5 km分辨率與1 km分辨率的雷達數據在城市防汛上能起到的作用將完全不同（見圖2）。目前，上海市氣象局已能夠提供分辨率約為1 km的雷達降雨數據，基本能夠滿足城市內澇實時模型的精度要求。

圖2　不同分辨率雷達數據對比

1.2臨近預報

事實上，盡管雷達降雨數據是實時取得的，但如果將其與風向，風速等其他天氣參數進行對應，仍可有效估測較短時間范圍內的降雨趨勢，這項技術被稱為臨近預報。目前，臨近預報大致可提供當前時間以后6 h的降雨信息，在實際操作中，由于影響降雨的不確定因素過多，一般會取用2 h內的估測值作為有效預報。一般認為，臨近預報是雷達數據應用于城市內澇實時模型的最典型方式。

目前，最成功的臨近預報系統是英國氣象辦公室與澳大利亞氣象局合作開發的STEPS（短期集合預測系統），該系統根據降雨區域的不同移動速率和降雨參數差異性統計數據，隨機生成多種未來的可能狀態。STEPS獲取的降雨預報以2 km的分辨率覆蓋全英，最多可提前6 h，每隔15 min更新一次。

雖然還沒有某項特別針對臨近預報準確率的研究報告顯示其結果無可挑剔，但雷達天氣預報的準確性正在隨時間推移而變得越來越精確卻是毋庸置疑的。根據英國氣象辦公室的研究報告顯示，如果逐年比較1980年以來的預報準確度，現在的3 d預報要比1980年的1 d預報更加準確。因此有理由相信，隨著雷達技術的發展，臨近預報準確率的上升必將增加雷達數據應用在城市防汛排水中的比重。

目前，英國氣象辦公室正在投資建造一臺新的超級氣象計算機，2017年在它投入使用后，STEPS的網格分辨率將增至300 m，升級后的臨近預報系統將更加滿足城市防汛的需求。對長江中下游降雨類型以鋒面雨為主的城市來說，另一個好消息是，臨近預報技術對鋒面雨的預報準確率要高于對流雨。

1.3雷達種類

氣象雷達根據發出電磁波信號的波段不同，一般可分為C波段雷達，X波段雷達，L波段雷達，S波段雷達以及K波段雷達等。其中，C波段雷達和X波段雷達都是常見的降雨數據測量雷達。大部分氣象預報服務雷達都會使用C波段雷達，該雷達系統由于自身波長和頻率的特性，發射/接受裝置不用很大，成本相對低廉。X波段雷達則被更多應用于研究領域。

出于城市防汛目的，引入內澇實時模型進行計算的雷達數據被要求滿足預測盡可能準確，分辨率盡可能高，成本盡可能低等條件。因此，根據城市實際情況進行雷達種類的正確選擇也十分重要。表1比較了不同波段雷達的分辨率、成本以及移動性，很容易發現，C波段雷達數據基本可滿足城市內澇實時模型的要求。但對于范圍更小，精度要求更高的城市重點區域防汛要求來說，X波段雷達以其高分辨率，高移動性以及低廉的成本更勝一籌。

1.4城市內澇建模框架

當雷達臨近預報的準確性、分辨率都達到實時模型的要求后，這時降雨預報數據就可以和計量水位數據，流量數據，閘門和水泵數據，管道數據以及數據庫中的其他數據一起被錄入城市內澇實時模型進行運算（見圖3）。根據計算結果，專業人員可以迅速預知城市街道的積水情況，管線利用情況，以及水泵運行情況等內容，進而提出防汛設施運行優化方案，為最終防汛決策提供可靠的技術支持。

表1　不同雷達的適用范圍

圖3　城市內澇實時模型建模框架

目前，世界范圍內可供城市內澇建模的商用系統軟件構架主要有荷蘭代爾夫特三角洲研究院開發的Delft-FEWS預測預警系統、丹麥DHI的MIKE Flood Watch洪水預報決策支持系統以及美國INNOVYZE公司的FloodWorks系統。出于商業合作基礎等原因，上海的排水企業更多使用后兩者進行實時預警系統的建模工作。

2　國內外雷達降雨預測驅動水力模型成功經驗

2.1倫敦雷達降雨預測系統

倫敦雷達降雨預測系統是C波段雷達數據應用于INNOVYZE公司開發的InforWorks CS水力模型中的成功案例。該項目始于倫敦北部Beckton集水區的一項試驗性應用，當時倫敦的水務人員開發了一套基于實時控制的決策支持工具，用于改善部分下水道的運行效率。在項目取得成功后，水務人員便將成功經驗伴隨模型范圍向外不斷擴展。

英國氣象辦公室的Nimrod雷達（C波段雷達）降雨觀測系統為該項目提供了雷達降雨實時數據和臨近預報。其中，實時降雨數據每5 min提供1次，分辨率為1 km；臨近預報每15 min提供1次，預報時間范圍為6 h，分辨率為2 km（見圖4）。雷達數據和其他關鍵數據被錄入數據庫后，被用于驅動該地區下水道網絡的InforWorks ICMLive水力模型。

圖4　泰晤士水務（倫敦地區）管理區域

該項目目前可以監測到的災害預警包括洪水事件、合流污水溢流（CSO）事件、街道積水事件等，同時可以為這些事件提供解決方案建議。通過提前預警，該項目幫助泰晤士水務預防水災和內澇的發生，避免財物損失，確保市民滿意度，保障倫敦城市的安全運行。此外，該項目還主動承擔了泵站運行管理工作，以避免溢流的發生。

2.2RainGain研究項目

歐盟的Interreg RainGain項目旨在開發更多利用X波段雷達的高分辨率優勢對大范圍C波段雷達降雨預測進行補充的方法。為挖掘X雷達在城市重點區域降雨預測方面的潛在優勢，利用好X雷達高分辨率、高移動性和低成本的特性，RainGain項目組在倫敦中部一幢高層建筑樓頂安裝了一臺X波段雷達RS90，雷達于2013年6月至10月期間運行。值得一提的是，該項目得到的雷達數據分辨率精細至200 m，預報間隔時間也縮短至1 min。

圖5為X波段雷達降雨數據與C波段雷達降雨數據的比較，可以明顯發現X波段雷達數據確實在準確性方面要高于C波段雷達，尤其在降雨強度較大的降雨事件中，這種優勢格外明顯。遺憾的是，在X雷達數據采集過程中，來自城市的大量地面雜波一直對數據準確性產生重大影響，使采集到的數據不得不高度依賴其他傳感器的數據來進行校正才能使人滿意[5,6]；并且當研究者們將高分辨率（200 m/min）的降雨預測值輸入至城市內澇實時模型中，和輸入由當地國家氣象局提供的低分辨率（1 km/5 min）的降雨預測值相比，結果并沒有明顯的進步。因此，雖然目前日本下水道新技術機構（JIWET）已實現將X波段雷達數據應用于FloodWorks水力模型平臺中，并取得防洪、溢流控制、以及節能等多方面的效果，但X波段雷達目前仍只應用于監測城市周邊區域的局部化暴雨，難以勝任在人口稠密地區的預報工作。

圖5　X波段雷達與C波段雷達探測降雨數據對比

2.3國內雷達數據應用情況

我國的雷達建設始于20世紀50年代，50年代末，中國氣象科學研究院引進了第一臺英國X波段雷達。上世紀70年代起，我國對雨量計結合雷達測量降水進行了大量研究。上世紀90年代后期，我國開始將雷達測雨技術引入水文領域的水力模型中使用。如任立良和劉新仁于2001年在淮河流域試驗中將雷達估測雨量用于新安江模型模擬史灌河流域的流量過程，取得較好的效果。劉曉陽等用雷達聯合雨量計估測降水作為流域水文模型TOPMODEL的降水輸入，對梅山水庫的入庫流量及史灌河流域的徑流進行了模擬。然而截至目前，由于雷達數據分辨精度和準確性的限制，還沒有確切的將其引入城市內澇實時模型中使用的先例。上海市城市排水有限公司在建立“上海城市排水防汛預警系統”時，特別為雷達數據預留了數據接入口，開創了國內將雷達數據與城市排水實時模型相結合的先河。

3　建議與展望

總結雷達預測降雨技術的發展現狀，借鑒國外的成功經驗，并結合上海等國內特大型城市的實際情況，為我國雷達數據與城市內澇實時模型相結合提出以下建議：

（1）將雷達預測降雨技術引入城市內澇實時模型在國外已有成功先例，其在預防洪水、城市內澇、合流污水溢流、優化都市排水系統運行模式等方面均呈現顯著效果，有非常值得期待的發展潛力。

（2）C波段雷達有探測范圍廣、測量數據準確、數據校正步驟相對簡易等特點，其偵測范圍和分辨率（200 km，1 km）基本滿足國內大型城市內澇實時模型的要求，建議作為雷達與城市實時模型結合的主要發展方向；X波段雷達具有分辨率高、成本低、移動性強等特點，但考慮到其受地面雜波干擾較大，建議部署在城市非人口稠密的防汛重點區域作為防汛補充機制，進一步提高重點區域的防汛能力。

（3）進一步提高雷達臨近預報的可靠性十分重要。國外經驗表明，在預報過程中，進行連續預報方式將有助于增強預報的準確度。同時，將預報時間從6 h縮短為2～3 h，取得的預報也將更加準確。

（4）由于目前在我國雷達預測技術與城市防汛結合仍屬于創新體制，因此在新體制建設過程中，除了要考慮技術發展的同時，還需考慮這一新技術對自然環境，人文環境以及經濟環境的潛在影響，制定相關配套的法律和規范，以使在支持新技術發展的同時，限制其對社會可能造成的負面影響，達到使技術“以人為本，為人服務”的最終目的。

[1]楊揚,張建云,戚建國,等.雷達測雨及其在水文中應用的回顧與展望[J].水科學進展,2000(1):92-98.

[2]盧江濤.利用天氣雷達估測和預報降雨分布的研究[D].北京:清華大學,2011.

[3]魏林宏,郝振純,邱紹偉.雷達測雨在水文學中的應用——影響預報精度的因素分析[J].水利水電技術,2004(5):1-4.

[4]陶汝頌,楊春華.多普勒測雨雷達在水文發展中的建設目標與前景展望[J].珠江現代建設,2013(3):6-8.

[5]馬學謙,董萬勝,楚榮忠,等.X波段雙偏振多普勒天氣雷達降雨估算試驗[J].高原氣象,2008(2):382-391.

[6]胡志群,劉黎平,楚榮忠,等.X波段雙線偏振雷達不同衰減訂正方法對比及其對降水估測影響研究[J].氣象學報,2008(2):251-261.

X4

A

1009-7716（2016）02-0181-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.02.050

2015-11-09

上海市城市建設投資開發總公司資助項目“上海市重點區域排水防汛實時預警系統研究”

朱弋（1982-），男，上海人，工程師，從事城市排水及污水處理工作。